15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental

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1 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental POTENCIAL DE USO DO SOLO COMO FILTRO DESPOLUIDOR DE ÁGUAS CONTAMINADAS POR CÁDMIO, CHUMBO E COBRE Fernanda Maria Belotti 1 ; Cristiane Valéria de Oliveira 2 ; Larissa Amaral Ferreira 3 ; Resumo As altas taxas de crescimento populacional, industrialização e urbanização dos últimos séculos conduziram à geração de elevada carga de poluentes ambientais, cuja disposição inadequada no meio ambiente altera sua qualidade e oferece riscos à saúde humana, ocasionando uma série de impactos ambientais, econômicos e sociais. O objetivo deste trabalho é investigar o potencial de uso do solo na retenção de cobre, chumbo e cádmio de águas contaminadas e, consequentemente, na redução dos impactos ambientais causados pela disposição inadequada de materiais contaminados por estes elementos. O trabalho foi realizado a partir de amostragens de solo de uma área destinada à infiltração de águas pluviais urbanas com presença de metais pesados. As amostras coletadas foram submetidas às análises de granulometria, Capacidade de Troca de Cátions, ph, teor de matéria orgânica, mineralogia da fração argila e teor total dos metais cádmio, chumbo e cobre. Para avaliar o teor de metais retidos no solo foram amostradas e analisadas amostras de solo na metade e final do período chuvoso na área de estudo. Os resultados indicam que o solo da área apresenta capacidade para reter parte dos metais presentes na água contaminada infiltrada; entretanto, outra parte desses metais é facilmente lixiviada no solo, o que evidencia os riscos de contaminação das águas subterrâneas. Para que o solo seja eficiente como filtro despoluidor de águas contaminadas por cádmio, chumbo e cobre é importante que o solo possua alto teor de óxidos de ferro, alto teor de matéria orgânica, alto ph e baixo teor de cálcio. Abstract The high rates of population growth, industrialization and urbanization of the past centuries led to the generation of high load of environmental pollutants, whose improper disposal on the environment alters its quality and present risks to human health, causing a series of environmental, economic and social impacts. The objective of this study is to investigate the potential of soil use in the copper, lead and cadmium retention of contaminated waters and hence in the reduction of environmental impacts caused by improper disposal of materials contaminated by these elements. The study was conducted from soil sampling from an area intended for urban rainwater infiltration with the presence of heavy metals. The samples colected were subjectd to analysis of particle size, Cation Exchange Capacity (CEC), ph, organic matter content, clay mineralogy ant total content of cadmium, lead and copper. To evaluate the level of metals retained in the soil were sampled and analyzed soil samples in half and end of the rainy season in the study area. The results indicate that the soil of the area has capacity to retain some of the metals present in the contaminated water infiltrated; however, one portion of those metals is easily leached into the soil, which highlights the risks of contamination of groundwater. In order to increase the efficient of the soil as filter to decontaminate water contaminated by cadmium, lead and copper is important that the soil has a high content of iron oxides, high content of organic matter, high ph and low calcium content. Palavras-Chave Metais pesados; águas contaminadas; solo Geógrafa, Dra. Universidade Federal de Itajubá, Itabira, (31) , fernandabelotti@unifei.edu.br Eng. Agrônoma, Dra. Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, (31) , crisval_oliveira@yahoo.com.br Graduanda em Engenharia Ambiental, Universidade Federal de Itajubá, (22) , larissaamaralfra@gmail.com 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 1

2 1. INTRODUÇÃO As altas taxas de crescimento populacional, industrialização e urbanização dos últimos séculos conduziram à um uso intenso e insustentável dos recursos naturais e à geração de elevada carga de poluentes ambientais, resultantes das diversas atividades antrópicas (PAZ et al., 2004). A disposição inadequada destes poluentes no meio ambiente altera sua qualidade e oferece riscos à saúde humana, ocasionando uma série de impactos ambientais, econômicos e sociais (MORAES et al., 2002). Dentre os recursos naturais mais impactados pelos poluentes ambientais destacam-se os recursos hídricos, que vêm sofrendo um intenso processo de degradação devido à elevada carga de resíduos de diversas composições e características despejada nos cursos d água (TUCCI et al., 2001; PAZ et al., 2004). A alteração da qualidade da água, principalmente a introdução de metais pesados, especialmente cobre (Cu), chumbo (Pb) e cádmio (Cd) apresenta uma série de riscos à saúde humana (AMARAL SOBRINHO, 1996; COSTA et al., 2004). No homem, a ingestão de doses excessivamente altas de cobre (Cu) pode acarretar irritação e corrosão de mucosas, danos capilares generalizados, problemas hepáticos e renais e irritação do sistema nervoso central seguido de depressão (BAIRD, 2002; IGAM, 2002). O chumbo (Pb) é uma substância tóxica cumulativa, cuja exposição ou intoxicação crônica pode levar ao saturnismo e efeitos como tontura, irritabilidade, dor de cabeça, perda de memória, entre outros. O cádmio (Cd) possui uma grande mobilidade em ambientes aquáticos, é bioacumulativo, e persistente no ambiente. O elemento e seus compostos são considerados potencialmente carcinogênicos e podem ser fatores para vários processos patológicos no homem, incluindo disfunção renal, hipertensão, arteriosclerose, doenças crônicas em idosos e câncer (BAIRD, 2002; IGAM, 2002). O objetivo deste trabalho é investigar o potencial de uso do solo na retenção de cobre, chumbo e cádmio de águas contaminadas e, consequentemente, na redução dos impactos ambientais causados pela disposição inadequada de materiais contaminados por estes elementos. 2. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS 2.1. Amostragem e caracterização de solo O trabalho foi realizado a partir de amostragens de solo de uma área submetida à infiltração de águas pluviais urbanas com presença de metais pesados localizada em Belo Horizonte/MG. Para a caracterização física, química e mineralógica do solo da área foram coletadas amostras em dois pontos e em três profundidades: 0 10 cm; cm e 1,00 1,10 m; totalizando seis amostras; que foram submetidas a análises físicas, químicas e mineralógicas para definição de sua granulometria, teor de matéria orgânica, Capacidade de Troca de Cátions (CTC), ph, mineralogia da fração argila e teor total dos metais Cd, Pb e Cu. As análises de granulometría, ph e CTC oram realizadas de acordo com EMBRAPA (1997). A análise do teor de matéria orgânica de acordo com o método Walkley-Black (DEFELIPO & RIBEIRO, 1997); a mineralogia da fração argila por Difratometria de Raios-X, pelo método do pó; e o teor de metais pesados por ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy) de acordo com o método USEPA 3050B. O ph do solo e o teor de matéria orgânica foram medidos no início e no final do monitoramento, uma vez que sua variação interfere diretamente na capacidade de retenção de metais pelo solo Monitoramento dos teores de metais pesados 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 2

3 Para o monitoramento do teor de metais pesados no solo na área de estudo foram realizadas duas amostragens: uma na metade e outra no final do período chuvoso na área (meses de janeiro e abril, respectivamente). A identificação dos teores de metais pesados das três amostragens de solo (1ª = caracterização do solo, 2ª = metade do período chuvoso e 3ª = final do período chuvoso) foi realizada por ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectroscopy) de acordo com o método USEPA 3050B no Laboratório Analytical Solutions S. A. 3. CARACTERIZAÇÃO DO SOLO ESTUDADO O solo da área de estudo foi classificado como Cambissolo, com textura predominantemente arenosa; mineralogia da fração argila composta por caulinita, gibbsita e goethita; baixa Capacidade de Troca de Cátions (CTC) e baixo teor de matéria orgânica, conforme apresentado nas Tabelas 1 e 2. Tabela 1 Características físicas e mineralógicas do solo da área de estudo AMOSTRA (cm) Análise textural (g/kg) Mineralogia da Fração Argila areia silte argila Ponto caulinita>gibbsita> goethita caulinita>gibbsita> goethita caulinita>gibbsita> goethita Ponto caulinita>gibbsita> goethita caulinita>gibbsita> goethita caulinita>gibbsita> goethita Tabela 2 Características químicas do solo da área de estudo AMOSTRA (cm) ph M.O. (g/kg) CTC Ponto ,3/7,6 17/19 2, ,4/7,5 18/14 2, ,4/7,4 18/15 2,37 Ponto ,8/8,2 19/20 4, ,5/7,7 16/05 3, ,3/7,4 09/07 3,13 CTC em cmol c/dm 3. Os valores de ph e M.O. referem-se ao início e fim do monitoramento, respectivamente. 4. COMPORTAMENTO DOS METAIS CÁDMIO, CHUMBO E COBRE NO SOLO ESTUDADO A Tabela 3 apresenta os resultados obtidos durante o monitoramento do solo na área de estudo. 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 3

4 Tabela 3 Teores de metais no solo durante o monitoramento de retenção METAL Amostragens no ponto 1 (mg/kg) Amostragens no ponto 2 (mg/kg) 1ª 2ª 3ª 1ª 2ª 3ª 0-10 N.D. 0,11 N.D. N.D. 0,12 0,53 Cádmio N.D. 0,13 N.D. N.D. N.D. N.D N.D. 0,10 N.D. N.D. N.D. N.D. Chumbo Cobre ,86 7,95 8,04 4,98 8,46 10, ,25 8,02 8,00 4,12 7,52 7, ,26 7,36 6,89 7,37 8,88 7, N.D. 1,64 0,99 N.D. 12,74 11, N.D. 1,88 0,80 N.D. 2,07 1, N.D. 1,93 1,54 N.D. 3,75 1,54 O cádmio foi o elemento que apresentou as menores taxas de retenção dentre os poluentes estudados, sendo que o que foi retido na 2ª amostragem foi lixiviado pelas chuvas subsequentes. Os seus teores no solo apresentaram ligeiro aumento na 2ª amostragem (metade do período chuvoso), em cinco dos nove pontos amostrados. Entretanto, na 3ª amostragem (final do período chuvoso), os valores de cádmio foram nulos em todos os pontos amostrados, exceto no ponto 2, na profundidade de 0-10 cm. A afinidade do cádmio pela CTC dos solos pode ser a justificativa para os seus baixos valores de retenção, pois como, normalmente, o cádmio é retido principalmente nos sítios de troca catiônica, é prontamente trocável por elementos com maior afinidade pela matriz do solo (SILVEIRA et al., 2008). Tendo em vista que, além da competição com outros elementos, os valores de CTC do solo da área do experimento são bastante baixos, a capacidade de retenção de cádmio na área fica muito limitada. Os resultados concordam com PIERANGELI et al. (2007), que estudando o comportamento sortivo individual e competitivo de metais pesados em solos brasileiros, concluíram que a retenção de Cd nos solos ocorre, em sua maior parte, por meio de forças eletrostáticas das partículas negativamente carregadas, o que a torna altamente dependente da CTC dos solos. Os estudos de LINHARES et al. (2009), sobre a vulnerabilidade de solos de Minas Gerais à contaminação por metais pesados, evidenciaram o elevado potencial de mobilidade do cádmio, que pode ter sido potencializado pelo fato de sua adsorção ser reduzida pelos outros metais (Pb, Cu) que apresentam maior afinidade pelos sítios de adsorção no solo. Além disso, outro fator pode afetar negativamente a retenção de cádmio na área, que é o elevado teor de Ca ++ no solo, principalmente no ponto 2 (valores de Ca ++ variando de 1,82 cmol c /dm 3 a 3,42 cmol c /dm 3 ), na qual houve retenção do cádmio em apenas dois dos seis pontos amostrados. O Ca ++ tem forte preferência pelos sítios trocáveis nos solos, o que diminui a retenção de Cd e aumenta sua mobilidade na solução do solo (KRETZSCHMAR & VOEGELIN, 2001). O chumbo foi o metal mais fortemente adsorvido pelo solo, com retenção também na 3ª amostragem. O metal foi retido em todos os pontos amostrados na 2ª amostragem, e apresentou aumento de seus teores no solo ou apenas ligeira redução na amostragem realizada no final do período chuvoso. A capacidade de retenção do chumbo pelo solo da área pode ser explicada pela elevada afinidade deste elemento com óxidos de ferro, formando ligações mais estáveis, o que reduz sua mobilidade e lixiviação no perfil do solo (ARAÚJO et al., 2002). PIERANGELI et al. (2001), estudando a adsorção e dessorção de Pb em solos brasileiros, encontraram correlações entre teor de óxidos de ferro e retenção de Pb, o que demonstra a relevância destes óxidos na capacidade adsortiva dos solos. A importância dos óxidos de ferro deve-se, principalmente à presença de sítios para adsorção específica, em valores de ph mais baixos, além do aumento dos sítios de cargas negativas, em valores de ph mais altos. Mesmo em 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 4

5 valores mais baixos de ph (4,5), a retenção de grande parte do chumbo ocorreu via adsorção específica. A semelhança nas taxas de adsorção em todos os pontos amostrados pode também ser correlacionada com o papel dos óxidos de ferro na retenção de chumbo, uma vez que o tipo e teor de óxidos é basicamente o mesmo em todos os pontos amostrados. Destacam-se as profundidades 0-10 cm e cm no ponto 1 e a profundidade cm no ponto 2, em virtude da manutenção de praticamente o mesmo teor do metal da metade ao final do período chuvoso, o que pode indicar a saturação do solo nestes pontos, nos quais não é mais possível a retenção de metais. O aumento do ph durante o monitoramento também pode ter contribuído para a adsorção de chumbo, devido à diminuição da concentração de H + e ao aumento das cargas negativas graças à desprotonação de grupos OH -. Com o aumento do ph, a concentração de íons hidrogênio diminuiu, possibilitando um aumento da adsorção de cátions metálicos (PIERANGELI et al., 2001). O cobre apresentou retenção da 1ª para a 2ª amostragem em todos os pontos amostrados, com elevado pico de retenção no ponto 2 na profundidade de 0-10 cm; e ligeira redução dos teores retidos da 2ª para a 3ª amostragem. O cobre apresenta elevada afinidade com a matéria orgânica, podendo ser retido em formas pouco móveis no solo (ligado à materiais orgânicos insolúveis); ou formar complexos solúveis, quando ligado à matéria orgânica de elevada solubilidade (SILVEIRA et al., 2008). Segundo ZEHETNER & WENZEL (2000) e OLIVEIRA et al. (2003), o cobre forma mais facilmente complexos com ácidos orgânicos solúveis, o que aumenta a mobilidade deste elemento no solo, e pode explicar a redução dos seus valores na 3ª amostragem em comparação com a 2ª. Entretanto, de acordo com LINHARES et al. (2009), o cobre normalmente forma complexos organo-metálicos estáveis e de baixa solubilidade, o que pode, portanto, ser responsável pelos teores de cobre mantidos no solo na 3ª amostragem. Como os teores de matéria orgânica no solo são baixos, a retenção de cobre também apresentou, de maneira geral, taxas reduzidas. Além disso, assim como o cádmio, o cobre também compete com o cálcio pelos sítios de adsorção, apresentando menor poder de competição e menor capacidade de ser retido pelo solo, o que também contribui para as suas baixas taxas de retenção (KRETZSCHMAR & VOEGELIN, 2001; RIBEIRO-FILHO et al., 2001). Outros fatores podem, ainda, justificar o comportamento do cobre na área, como a competição com o chumbo pelos sítios de adsorção. Segundo ECHEVERRIA et al. (1998), o cobre compete com o chumbo pelos sítios de adsorção nos óxidos de ferro, sendo que o chumbo possui maior poder de competição, o que reduz as taxas de retenção de cobre em sítios contaminados pelos dois elementos. Os dados do monitoramento indicam que o solo da área apresenta capacidade de retenção dos metais estudados, entretanto, parte dos metais adsorvidos não foram mantidos no solo durante as chuvas subsequentes, o que indica uma fragilidade nas ligações de adsorção dos metais estudados pelo solo em questão. Dados da 3 a amostragem (final do período chuvoso), revelam teores de metais no solo menores que aqueles encontrados na 2ª amostragem, confirmando que parte dos metais adsorvidos durante a 1 a metade do período chuvoso, foram lixiviados no solo pelas chuvas ocorridas no restante do período. 5. CONCLUSÕES Os dados do monitoramento indicam que o solo da área apresenta capacidade de retenção dos metais estudados. Entretanto, dados da amostragem realizada no final do período chuvoso revelam teores de metais menores que aqueles encontrados na amostragem anterior, indicando 15º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 5

6 que parte dos metais adsorvidos durante a primeira metade do período chuvoso, foram lixiviados no solo pelas chuvas ocorridas no restante do período. Para que o solo seja eficiente como filtro despoluidor de águas contaminadas por cádmio, chumbo e cobre é importante que possua alto teor de óxidos de ferro, alto teor de matéria orgânica, alto ph, alta CTC e baixo teor de cálcio. AGRADECIMENTOS Os autores agradecem ao CNPq pelo financiamento de projetos de pesquisa e à FAPEMIG pela bolsa de Iniciação Científica concedida à última autora. REFERÊNCIAS AMARAL SOBRINHO, N. M. B. Metais Pesados em Solos Brasileiros. In: ALVAREZ, V. H. et al. O Solo nos Grandes Domínios Morfoclimáticos do Brasil e o Desenvolvimento Sustentado, SBCS, Viçosa, p ARAÚJO, W. S. et al. (2002). Relação entre adsorção de metais pesados e atributos químicos e físicos de classes de solo do Brasil in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 26, p BAIRD, C. (2002) Química ambiental, Bookman, Porto Alegre. COSTA, C. N et al. Contaminantes e poluentes do solo e do ambiente. In: MEURER, E. J. Fundamentos de Química do Solo, Genesis, Porto Alegre, p DEFELIPO, B. V. et al. Análise química do solo. UFV, Viçosa, 1997, 26 p. (Boletim de extensão, 29). ECHEVERRÍA, J. C. et al. (1998). Competitive sorption of heavy metal by soils. Isotherms and fractional factorial experiments in Environ. Poll., Vol.101, p EMBRAPA. (1997) Manual de Métodos de Análise de Solo, Brasília, 212 p. KRETZSCHMAR, R. & VOEGELIN, A. Modeling Competitive Sorption and Release of Heavy Metals in Soils. In: SELIM, H. M. et al. (eds.). Heavy Metals Release in Soils, CRC Press, Boca Raton, p LINHARES, L. A. et al. (2009) Adsorção de cádmio e chumbo em solos tropicais altamente intemperizados in Pesq. agropec. bras., nº 3, Vol. 44, p MORAES, D. S. L. et al. (2002) Degradação de recursos hídricos e seus efeitos sobre a saúde humana in Rev. Saúde Pública, nº 3, Vol.36, p OLIVEIRA C. et al. (2003) Solubilidade de Metais pesados em solos tratados com lodo de esgoto enriquecido in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 27, p PAZ, M. F. et al. (2004). Avaliação da qualidade do escoamento superficial da bacia Alto da Colina in Anais do XI Simpósio Luso-Brasileiro de Engenharia Sanitária e Ambiental, Natal, ABES e APRH, Vol. 1. p PIERANGELI, M. A. P. et al. (2007) Comportamento sortivo, individual e competitivo de metais pesados em Latossolos com mineralogia contrastante in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 31, p PIERANGELI, M. A. P et al. (2001) Efeito do ph na adsorção-dessorção de chumbo em Latossolos brasileiros in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 25, p RIBEIRO-FILHO et al. (2001) Fracionamento e biodisponibilidade de metais pesados em solo contaminado, incubado com materiais orgânicos e inorgânicos in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 25, p SILVEIRA, M. L. et al. (2008) Condicionadores Químicos de Solo e Retenção e Distribuição de Cádmio, Zinco e Cobre em Latossolos Tratados com Biossólido in R. Bras. Ci. Solo, Vol. 32, p º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 6

7 TUCCI, C. E. M. et al. Gestão da Água no Brasil, UNESCO, Brasília, ZEHETNER, F. & WENZEL, W. W. (2000) Nickel and copper sorption in acid forest soils in Soil Science, nº 6, Vol. 165, p º Congresso Brasileiro de Geologia de Engenharia e Ambiental 7